《信号处理》课件05 音频信息隐藏与水印算法.pptx
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1、音频信息隐藏技术 音频信号的特点l一维信号l人耳听觉系统(HAS)比人眼视觉系统(HVS)灵敏得多对音频信息隐藏技术的要求l透明性l鲁棒性(强鲁棒,抗模数转换)l同步要求l盲检测12023/6/7信息隐藏与数字水印时间域音频算法最低有效位方法lLSBlLease Significant Bit回声隐藏法 22023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理原始语音信号(“床前明月光”)32023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理(1)去掉低2比特位的语音信号(声音信号听不出差别)42023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理(2)去掉低4比特位的语音信号(声音信号听不出差别)52023/6/7信息
2、隐藏与数字水印LSB原理(3)去掉低6比特位的语音信号(声音中有极少的背景噪音,不易被察觉)62023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理(4)去掉低8比特位的语音信号(声音中有较明显的背景噪音)72023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理(5)去掉低10比特位的语音信号(声音中有很强的噪音,但话音仍较清晰)82023/6/7信息隐藏与数字水印LSB原理(5)结论l数字化音频中,低有效比特对音质贡献弱。l改变低有效比特不会显著影响音质。2023/6/7信息隐藏与数字水印9LSB算法LSB算法实现l嵌入:用水印替换最低(或次低等)有效比特0110 0011 0101 0111 0111 011
3、0 0 0 10110 0010 0101 0110 0111 0111l提取:提取最低(或次低等)有效比特组合为水印。102023/6/7信息隐藏与数字水印LSB算法LSB算法设计l选择样点样点幅值大小与其掩蔽能力有关静音段幅值较小的样点不宜用于隐藏。2023/6/7信息隐藏与数字水印11不适合隐藏适合隐藏LSB算法LSB算法设计l选择比特位低比特位对音质影响小,但容易受到干扰。例如:幅值为6(110B)的样点,哪怕幅度仅变化1,其多个比特位也会发生变化,若幅值减小1,变为5(101B),则最低、次低有效比特位变化;122023/6/7信息隐藏与数字水印LSB算法LSB算法设计l选择比特位若
4、幅值增大1,变为7(111B),则最低有效比特位发生变化。若在次低或第3比特位隐藏水印,则不容易受噪声干扰,但嵌入前后样点幅值的变化幅度由1上升到2或4。132023/6/7信息隐藏与数字水印LSB小结LSB算法参数包括:l样点和比特位置的选取LSB算法性能:l透明度高l容量大l鲁棒性差142023/6/7信息隐藏与数字水印LSB算法思考题l某音频采用8比特无符号数量化,已知该音频使用了LSB算法嵌入了秘密信息,且部份样点值为127,125,110,则可从中提取的秘密信息是?l我们学习生活中传送音频的方式有哪些?LSB适用于哪些应用?2023/6/7信息隐藏与数字水印15回声隐藏原理l掩蔽效应
5、:强信号的存在会使其附近的弱信号难以被感知。l当回声与原声的间隔充分接近时,人耳难以区别回声和原声。162023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏如何应用掩蔽效应隐藏秘密信息?l回声和原声间的延迟在一定范围内人耳都难以察觉,l亦即可以人为添加不同延迟的回声。2023/6/7信息隐藏与数字水印17回声隐藏如何应用掩蔽效应隐藏秘密信息?l要隐藏二进制信息,只需用两种不同延迟的回声分别代表0、1比特。l例如,回声延迟为1毫秒代表比特“1”,回声延迟为2毫秒代表比特“0”,这样,要隐藏0,那么我们在原声上添加延迟为2毫秒的回声。2023/6/7信息隐藏与数字水印18回声隐藏如何“生成”回声信号?l回声
6、信号,可简单模拟为,原始信号经过时延和幅度衰减后产生的信号。l设原信号为x(t),时延为,衰减为,l则叠加回声的信号为:ly(t)=x(t)+x(t-)2023/6/7信息隐藏与数字水印19回声隐藏2023/6/7信息隐藏与数字水印20回声隐藏2023/6/7信息隐藏与数字水印21回声隐藏例:若回声延迟为1毫秒代表比特“1”,回声延迟为2毫秒代表比特“0”,回声幅度衰减系数为0.5,请给出下面信号对应的0、1回声信号,以及在这个信号上嵌入比特“1”以后所得信号222023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏232023/6/7信息隐藏与数字水印标识比特“1”的回声信号标识比特“0”的回声信号原始
7、信号叠加回声“1”后的合成信号回声隐藏如何提取水印?l水印信息,即0、1比特,与回声延迟相关联,l提取信息最自然的思路就是检测回声延迟。l回声是原始信号平移、线性缩放后生成的信号,与原信号相关性较强,l可否使用自相关系数检测回声延迟?242023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏自相关,延自相关,延迟为600个个样点点自相关,延自相关,延迟为1000个个样点点2023/6/7信息隐藏与数字水印25语音信号自身具有相关性,当回声延迟足够大时,能通过自相关系数检测延迟,但这样条件下的透明性和容量性能不佳。图示语音信号采样率为8000Hz,即每(1/8000)秒,或每(1/8)毫秒产生一个采样点。回
8、声信号比原声信号延迟N个样点,即延迟N*(1/8)毫秒。因此,若N等于600,则延迟为75毫秒。若N等于1000,则延迟为,125毫秒。略过深入讨论回声隐藏(深入讨论)如何提取水印?l研究水印嵌入过程,可建模为线性系统2023/6/7信息隐藏与数字水印26回声隐藏(深入讨论)272023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)282023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)292023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)302023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)简单回声核倒回声核倒谱(局部)(局部)312023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨
9、论)典型回声核典型回声核典型回声核的复典型回声核的复倒倒谱322023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)典型回声核(局部典型回声核(局部)典型回声核的复典型回声核的复倒倒谱(局部)(局部)332023/6/7信息隐藏与数字水印 回声隐藏(深入讨论)混合信号复倒混合信号复倒谱混合混合信号复倒信号复倒谱(局部)局部)342023/6/7信息隐藏与数字水印 回声隐藏(深入讨论)混合信号复混合信号复倒倒谱自相关自相关混合信号复倒混合信号复倒谱自自相关(局部)相关(局部)352023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)2023/6/7信息隐藏与数字水印36回声延迟分别为8个和12个
10、样点,左图为嵌入8个样点延迟回声后所得分段倒谱信号,右图倒谱信号对应延迟为12个样点。回声隐藏如何提取水印?l使用倒谱自相关系数检测。l倒谱自相关系数在回声延迟位置处有峰值2023/6/7信息隐藏与数字水印37略过深入讨论回声隐藏(深入讨论)382023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏(深入讨论)392023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏如何隐藏多个比特?l语音信号分为多个片段,每个分段加入对应不同回声例:若回声延迟为0.5毫秒代表比特“1”,回声延迟为1毫秒代表比特“0”,回声幅度衰减系数为0.5,分段长度为2毫秒,请给出下面信号嵌入比特“1,0”以后所得信号2023/6/7信息隐藏与
11、数字水印40回声隐藏412023/6/7信息隐藏与数字水印422023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏系统图回声隐藏2023/6/7信息隐藏与数字水印43回声隐藏2023/6/7信息隐藏与数字水印44回声隐藏2023/6/7信息隐藏与数字水印45回声隐藏稳健性分析l演示一:利用回声隐藏原理嵌入和提取秘密信息。通过这个实验显示,回声隐藏算法能够在不显著影响音质的条件下,隐藏秘密信息。比对直接提取(未受攻击),和添加了25dB高斯噪声后提取的误码率。结果证明,回声隐藏算法抗高斯噪声攻击较强。462023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示二:对隐写语音分别进行A律、mu律压扩编解码
12、。比对直接提取(未受攻击),和编解码后提取的误码率。结果证明,回声隐藏算法能够抵抗A律、mu律等压缩编码攻击。472023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示三:对隐写语音进行低通滤波,截至频率为3.4kHz比对直接提取(未受攻击),和低通滤波后提取的误码率。结果证明,回声隐藏算法能够抵抗低通滤波攻击482023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l演示四:对隐写语音进行播放、录制。比对直接提取(未受攻击),和模数/数模转换后提取的误码率。结果证明,回声隐藏算法能够抵抗模数/数模转换攻击。492023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏稳健性分析l抗噪声性能l抗A律、mu律
13、压缩性能l抗滤波性能l抗D/A、A/D转换性能l适合使用电话信道的保密通信502023/6/7信息隐藏与数字水印回声隐藏思考题l回声隐藏参数:分段大小和回声衰减系数主要影响算法的哪些指标?l根据实验数据分析以下参数条件下,算法的透明性、稳健性和容量,可得出什么结论?第一:回声衰减系数为0.6,分段大小分别为:1024,2562023/6/7信息隐藏与数字水印51回声隐藏思考题l根据实验数据分析以下参数条件下,算法的透明性、稳健性和容量,可得出什么结论?第二:分段大小为1024,回声衰减系数为0.6和0.32023/6/7信息隐藏与数字水印52回声隐藏性能分析l容量与具体环境参数有关,若载体为8
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